(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
刺激を受けるべき少なくとも１つの身体部分(120)へ電気感覚的な感覚を発生するための装置において、
絶縁体(108)が各々設けられた１つ以上の導通電極(106)を備え、前記刺激を受けるべき少なくとも１つの身体部分(120)が前記導通電極に接近したときに、前記絶縁体は、前記導通電極から前記刺激を受けるべき身体部分への直流の流れを防止し、且つ前記導通電極(106)と前記刺激を受けるべき少なくとも１つの身体部分(120)との間で前記絶縁体(108)上に容量性結合が形成され、
前記１つ以上の導通電極へ電気的入力(OUT)を付与するための高電圧源(100,102,104)を更に備え、前記電気的入力は、１０Ｈｚないし１０００Ｈｚの周波数範囲の、該電気的入力のエネルギー内容の少なくとも一部を含み、
前記１つ以上の導通電極への電気的入力以外の前記高電圧源の基準電圧(REF)と、
前記１つ以上の導通電極(106)とは個別の少なくとも１つの接地電極(212)と、
の間に接地接続(210)を備え、前記接地電極は、前記刺激を受けるべき少なくとも１つの身体部分(120;220A,220B,220C)の各々とは個別の第２の身体部分(222)によってタッチされるように位置され、
前記容量性結合及び電気的入力は、電気感覚的な感覚を発生する大きさとされ、
これにより、前記１つ以上の導通電極(106)又は絶縁体(108)の如何なる機械的振動とも独立して前記電気感覚的な感覚が発生されるようにした装置。
【請求項２】
前記容量性結合と電気的入力は、前記少なくとも１つの身体部分が前記１つ以上の導通電極に対して静止しているときに、該少なくとも１つの身体部分への電気感覚的な感覚を発生させる大きさとされ、
これにより、前記少なくとも１つの身体部分と前記１つ以上の導通電極との間の如何なる運動とも独立して前記電気感覚的な感覚が発生されるようにした、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記装置は、各空間的に個別の、前記刺激を受けるべき身体部分(120;220A,220B,220C)に対して１つの導通電極を備えた、請求項１から２のいずれかに記載の装置。
【請求項４】
前記装置は、空間的に個別の、刺激を受けるべき複数の身体部分(220A,220B,220C)の各々に対して１つの導通電極(206A,206B,206C)を備えた、請求項１から３のいずれかに記載の装置。
【請求項５】
前記装置は、情報に基づいて電気的入力を変調することにより電気感覚的な感覚を経て情報を搬送する手段(116,216)を備えた、請求項１から４のいずれかに記載の装置。
【請求項６】
多数の全ての導通電極(206A,206B,206C)に共通な高電圧源(100,102,104)を含むエンクロージャー(200)を更に備え、該エンクロージャー(200)は、共通のコントローラ(216)の制御のもとで、前記多数の導通電極のうちのゼロ以上の電極へ電気的入力(OUT)を同時に搬送するための手段(217)も含む、請求項１から５のいずれかに記載の装置。
【請求項７】
前記装置は、データ処理装置に接続可能な入力／出力周辺装置の一部分である、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記刺激を受けるべき身体部分(120)によりタッチされ又はそれが接近するように配置された表面(1400)を更に備え、該表面は、少なくとも１つのタッチ感知エリア(A1,A2,A3)を有し、各タッチ感知エリアは、所定の位置(x1-x2;x3-x4;x5-x7)を有し、
前記装置は、前記少なくとも１つのタッチ感知エリアへ少なくとも１つの機能を指定するための手段を備え、又はそのような手段に作動的に接続でき、
前記装置は、更に、前記刺激を受けるべき身体部分(120)による前記少なくとも１つのタッチ感知エリア(A1,A2,A3)への検出されたタッチ又は接近に基づいて、電気感覚刺激の強度を空間的及び／又は時間的に変化させる手段(1406,1506)を備え、
これにより、前記インターフェイス装置は、前記刺激を受けるべき身体部分を経てユーザへフィードバックを発生することができる、請求項１から７のいずれかに記載の装置。
【請求項９】
電気感覚刺激の強度を空間的及び／又は時間的に変化させる前記手段(1406,1506)は、電気感覚刺激の強度を時間的に変化させる手段(1406,1506)を含む、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
少なくとも１つの機能を指定する前記手段は、前記少なくとも１つのタッチ感知エリアに指定される少なくとも１つの機能を動的に変更するよう動作でき、
前記装置は、前記少なくとも１つのタッチ感知エリアに指定された機能に基づいて前記フィードバックを変更するよう動作できる、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記電気的入力は、１０Ｈｚないし１０００Ｈｚの周波数範囲の低周波成分（114）と、該低周波数成分(114)の周波数より高く且つ５００ｋＨｚより低い周波数を有する高周波成分(112)も含む、請求項１から１０のいずれかに記載の装置。
【請求項１２】
前記高周波数成分(112)を前記低周波数成分(114)で変調するための手段(110)を更に備えた、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記１つ以上の導通電極(106)への電気的入力は、ピーク・ピーク電圧が７５０ないし１０００００ボルトである、請求項１から１２のいずれかに記載の装置。
【請求項１４】
前記絶縁体は、厚みが０．１ｍｍないし５０ｍｍである、請求項１から１３のいずれかに記載の装置。
【請求項１５】
少なくとも１つの絶縁体は、第１層及び第２層を含み、その第１層は、第２層よりも前記導通電極に接近し、そしてその第２層は、第１層よりも表面導電率が低い、請求項１から１４のいずれかに記載の装置。
【請求項１６】
刺激を受けるべき少なくとも１つの身体部分(120)へ電気感覚的な感覚を生じさせるための方法において、
絶縁体(108)が各々設けられた１つ以上の導通電極(106)を準備し、前記刺激を受けるべき少なくとも１つの身体部分(120)が前記導通電極に接近したときに、前記絶縁体は、前記導通電極から前記刺激を受けるべき身体部分への直流の流れを防止し、且つ前記導通電極(106)と前記刺激を受けるべき身体部分(120)との間で前記絶縁体(108)上に容量性結合が形成され、
前記１つ以上の導通電極へ電気的入力(OUT)を付与するための高電圧源(100,102,104)を準備し、前記電気的入力は、１０Ｈｚないし１０００Ｈｚの周波数範囲の、該電気的入力のエネルギー内容の少なくとも一部を含み、
前記１つ以上の導通電極への電気的入力以外の前記高電圧源の基準電圧(REF)と、
前記１つ以上の導通電極(106)とは個別の少なくとも１つの接地電極(212)と、
の間に接地接続(210)を準備し、前記接地電極は、前記刺激を受けるべき少なくとも１つの身体部分(120;220A,220B,220C)の各々とは個別の第２の身体部分(222)によってタッチされるように位置され、
前記容量性結合及び電気的入力は、電気感覚的な感覚を発生する大きさとされ、
これにより、前記１つ以上の導通電極(106)又は絶縁体(108)の如何なる機械的振動とも独立して前記電気感覚的な感覚が発生されるようにした、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、感覚刺激のための装置及び方法に係る。本発明は、特にタッチの感覚を刺激するのに適用できる。
【背景技術】
【０００２】
ジョイスティックやマウスのような手動入力装置は、その手動入力装置がユーザに触覚フィードバックを与えるように、触覚感覚を与える手段によりしばしば補足される。触覚フィードバック装置のための米国特許は、数百ある。従来装置のほとんど又は全てにおいて、触覚刺激は、機械的部材を移動又は振動することで発生される。ほとんどのこのような装置が共有する問題は、このように移動する機械的部材が、かさばり、信頼性が低く、及び／又は制御が困難な傾向にあることである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の目的は、上述した問題の少なくとも１つを軽減するための方法及び装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明のこの目的は、独立請求項に開示された特徴により達成される。従属請求項及び本特許明細書は、本発明の付加的な特定の実施形態及び非本質的特徴を開示する。
【０００５】
本発明は、皮下のパチニ小体の機械的刺激を伴わずに、又はそのような機械的刺激とは別の付加的な刺激として、容量性電気的結合及び適切な大きさの制御電圧によりパチニ小体を刺激できるという意外な発見に基づいている。適切な大きさの高電圧が制御電圧として使用される。ここでは、高電圧とは、安全性及び／又はユーザの快適さの理由で、直接的なガルバニック接触を防止しなければならない電圧を意味する。これは、パチニ小体と、刺激を引き起こす装置との間に容量性結合を生じさせ、容量性結合の片側は、刺激装置に接続されたガルバニック的に分離された電極により形成される一方、電極に接近したその他側は、装置のユーザのような刺激ターゲットの身体的部分、好ましくは、指、更に特定すれば、皮下パチニ小体によって形成される。
【０００６】
特定の理論に傾倒するのではなく、おそらく、本発明は、装置の活性表面と、それに接近又はタッチする指のような身体部分との間に電界を制御状態で形成することに基づくものであることが本発明者に分かった。電界は、至近の指に逆の電荷を生じる傾向がある。電荷と電荷との間に局部的電界及び容量性結合が形成される。電界を適切に変更することにより、組織を動かすことのできる力が生じて、感覚受容体がこのような動きを振動として感知する。
【０００７】
本発明の利益は、従来技術における機械的振動及びそれに関連した問題とは独立したものである。
【０００８】
本発明の１つの態様は、少なくとも１つの身体部分へ電気感覚的刺激を発生するための装置にある。この装置は、絶縁体が各々設けられた１つ以上の導通電極を備えている。身体部分が導通電極に接近すると、この絶縁体が、導通電極から身体部材への直流の流れを防止する。導通電極と身体部分との間には、絶縁体を経て容量性結合が形成される。又、装置は、１つ以上の導通電極に電気的入力を印加するための高電圧源も備え、この電気的入力は、１０Ｈｚから１０００Ｈｚの周波数範囲の低周波数成分を含む。容量性結合及び電気的入力は、１つ以上の導通電極又は絶縁体の機械的振動とは独立して発生される電気感覚的な感覚を発生する大きさとされる。
【０００９】
本発明の別の態様は、身体部分へ電気感覚的な感覚を生じさせる方法にある。この方法は、１つ以上の導通電極を設けることを含む。各導通電極には絶縁体が設けられ、身体部分が導通電極に接近すると、この絶縁体は、導通電極から身体部分への直流の流れを防止する。導通電極と身体部分との間には、絶縁体を経て容量性結合が形成される。又、１つ以上の導通電極に電気的入力を印加するための高電圧源が設けられる。この電気的入力は、１０Ｈｚから１０００Ｈｚの周波数範囲の低周波数成分を含み、容量性結合及び電気的入力は、電気感覚的な感覚を発生する大きさとされ、この電気感覚的な感覚は、１つ以上の導通電極又は絶縁体の機械的振動とは独立して発生される。
【００１０】
容量性結合を変化させ、その変化が、パチニ小体がそれらの最大感度を示す範囲内で１つ以上の周波数成分を含むようにするのが有益である。この周波数範囲は、おおよそ、１０から１０００Ｈｚであり、ほとんどの人間では、１００から５００Ｈｚである。容量性結合は、その容量性結合の制御電圧及び／又はパラメータを変更することによって変化させることができる。
【００１１】
例えば、電極に印加される高電圧電荷は、少なくとも７５０、１０００、１５００又は２０００Ｖの電圧、及びせいぜい２０、５０又は１００ｋＶ（無負荷での測定）をもつことができる。ここでは、電圧値は、直流電圧、又は交流の実効値（ＲＭＳ）電圧を指す。付与される高圧電流は、直流でも交流でもよい。交流を使用するときには、電流の周波数は、少なくとも１ｋＨｚ、１０ｋＨｚ、２０ｋＨｚ又は３０ｋＨｚの高さであり、そしてせいぜい１００ｋＨｚ、５００ｋＨｚ tai １ＭＨｚである。但し、これは、例えば、高周波数信号の包絡線の周波数が希望の感覚細胞を刺激するように信号が低周波数成分も示す場合である。高周波数の交流は、例えば、低周波数成分を有する制御信号によって変調することができる。
【００１２】
高電圧の直流を使用するときには、回転型の、好ましくは個々に制御可能な小型電極のセットを含むＭＥＭＳコンポーネント（マイクロ電気化学的システム）として電極が実施されてもよい。電極により形成される容量性結合の強度は、これらの小型電極を調整することにより調整できる。この場合、小型電極を、それらが集合的に平面を形成するように配向したときに、最強の結合が達成される。本発明の技術において、容量性結合の特性、例えば、その変化のキャパシタンスを測定することにより、例えば、装置の表面から身体部分までの距離を測定することが可能となる。更に、身体部分による表面のタッチを個別に検出することもできる。本発明の技術は、例えば、形成される電界の電力制御機能により更に改善することができる。本発明の幾つかの実施形態を利用して接近センサを実施する場合には、本発明の感覚刺激を生じさせることにより必要とされるものより弱い電界しか要求しない。従って、現在必要とされる機能に基づいて電界の強度を変更できるのが有益である。このような変更は、例えば、電極又は絶縁体に充分に接近したときに身体部分にタッチ又は振動の感覚が生じるように電界を強化することを含む。
【００１３】
例えば、本発明の技術に使用される制御信号の低周波数成分は、高周波数の交流を変調することにより発生できる。変調信号は、例えば、連続的なものでも、パルス状のものでもよい。個々のパルスの巾は、０．０１、０．５又は４ｍｓでよく、又、パルスとパルスとの間の休止は、少なくとも１、１０又は１００ｍｓでよい。
【００１４】
制御信号の低周波成分は、少なくとも１０、５０又は１００Ｈｚの周波数を有し、そしてせいぜい３００、５００又は１０００Ｈｚを有する。１つの特定の実施形態では、制御信号は、例えば、１２０Ｈｚの周波数を有する。本発明の技術では、刺激を付与させる交流電界が、少なくとも１００Ｖ／ｍｍ、２００Ｖ／ｍｍ又は５００Ｖ／ｍｍ、及びせいぜい１０ｋＶ／ｍｍ、３０ｋＶ／ｍｍ又は１００ｋＶ／ｍｍの強度ピークを示すことができる。電界強度は、例えば、１ｃｍ2の表面積をもつ接地電極を絶縁電極の表面から０．０５ないし５ｍｍ、好ましくは、約１ｍｍのところに位置させることにより、測定することができる。
【００１５】
例えば、電極によって発生された電界は、コンピュータ又は他の電子データ処理装置で実行される処理ロジックに基づいて制御することができる。例えば、この制御ロジックは、変更周波数、及び／又は個々の電極により発生される電界の強度を制御するように使用できる。更に、この制御ロジックは、例えば、変化する電界をパルス化するのにも使用できる。又、制御ロジックは、別の装置、例えば、別のコンピュータ又はデータ処理装置からデータネットワークを経て制御情報を受信することもできる。
【００１６】
感覚刺激のための本発明の装置は、少なくとも１つの絶縁電極を備えており、この装置は、この電極に電荷を付与し、この電荷がパチニ小体の刺激を生じさせるように動作できる。人間の場合、これは、通常、少なくとも７５０Ｖの電圧を必要とする。装置は、更に、周波数が少なくとも１０Ｈｚで、せいぜい１０００Ｈｚの成分を有する信号を使用することにより、電荷で発生される容量性結合の電界の強度を変更するための手段も備えている。
【００１７】
本発明の装置の幾つかの実施形態は、希望があれば、機械的な可動部品なしに実施することができ、このような実施形態は、表面の機械的移動に基づくアクチュエータのように材料の機械的特性に同様の制約を課すことはない。従って、本発明の幾つかの実施形態は、異なる形状の種々様々な表面に適用することができる。例えば、電極及び／又はそれに取り付けられる絶縁体の表面形状は、平面でもよいし、丸くてもよいし、球状でもよいし又は凹状でもよい。同様に、絶縁体の材料は、その選択された用途に特に適した特性を有する種々の材料から選択することができる。機械的特性に関しては、表面材料は、硬質、柔軟、剛性、屈曲性、透明又は柔軟性のものでよい。表面も、導体として使用される材料と同様に、透明でもよい。
【００１８】
装置の個々の電極、及び／又は電極に取り付けられる絶縁体は、０．１、１、１０又は１００ｃｍ2以上の表面積を有することができる。装置は、Ｘ−Ｙ座標系を形成するアレーに配列できる複数の絶縁電極を含むことができる。このようなシステムの各電極は、希望があれば、例えば、本発明の幾つかの実施形態に基づく制御ロジックにより制御することができる。電極は、しっかり固定することもできるし、可動とすることもできる。
【００１９】
装置は、例えば、高電圧の交流を変調するか、又はＭＥＭＳ装置の電極を制御信号に基づいて移動することにより、電界の変更周波数を変更するための手段を備えることができる。
【００２０】
装置の電極と、身体部分との間に配列される絶縁体は、その厚みが、少なくとも０．０１ｍｍ、０．０５ｍｍ、０．１ｍｍ又は０．５ｍｍであり、そしてせいぜい、１０ｍｍ、２０ｍｍ又は５０ｍｍである。絶縁体の材料は、例えば、意図された用途及び／又は使用すべき電圧に基づいて選択することができる。
【００２１】
幾つかの実施形態では、絶縁体が複数の層を備えている。例えば、電極と、それに接近又はタッチする身体部分との間の絶縁体層の塊は、ガラスで構成されてもよいが、ガラスは、絶縁体の表面材料として最適でないことが本発明者により発見された。ここで、最適とは、電気感覚的な感覚の生成を最もサポートする絶縁体材料を意味する。ガラス絶縁体は、プラスチック膜でカバーされた場合には、非常に良好に機能する。
【００２２】
本発明の装置は、その電力消費が低いように実施することができる。例えば、感覚刺激を生じさせるのに必要な電力は、１ｍＷ、５ｍＷ又は１０ｍＷ以上である。消費電力は、人間が装置の表面にタッチするとき、又は容量性接地の５０ｐＦキャパシタが装置の表面に接続されたときに、電極に印加される電力に基づいて測定することができる。
【００２３】
この装置は、形成される容量性結合のキャパシタンスを測定する手段を備えることができる。又、この装置は、得られた測定情報に基づき、電界の特性、例えば、強度又は変更周波数を調整する手段も備えることができる。
【００２４】
感覚刺激のための本発明の装置は、何らかの他の装置又はシステムの一部分として一体化することができる。例えば、従来のタッチディスプレイを、本発明の幾つかの実施形態による装置で補足することができる。このように、ディスプレイに物理的にタッチしなくてもタッチの感覚を発生するタッチディスプレイを提供することができる。フィードバックシステムの制御コンポーネントを組み合わせることもできるし、又は互いに情報を交換するようにそれらを配列することもできる。ここに開示する方法及び装置の効果的な実施形態は、タッチ又は接近に基づく制御装置、例えば、タッチの感覚を経て感知できるフィードバックを発生するタッチディスプレイである。
【００２５】
本発明の幾つかの実施形態では、局部的電荷／電界を容量性の接地により制御することができる。本発明の種々の実施形態では、絶縁電極に対する電気的結合の依存性、即ちキャパシタンス、が多数のファクタによって左右されることを考慮することができる。キャパシタンス値は、装置又は対象物（人間のような）が接地されていない場合に指と電極との間の電位差に影響し、それらの接地電位は、浮遊容量を経て決定される。従来の実施では、電圧及びキャパシタンスの分布の制御及び処理が無視され、本発明の幾つかの実施形態は、この別々の問題を軽減することに向けられる。
【００２６】
例えば、本発明は、刺激を発生するのにタッチも機械的な移動も振動も必要としないという点で従来の解決策とは異なる。従って、本発明は、例えば、電極を指でなぜること、及び電界により生じる局部的に変化する摩擦に基づく解決策に勝る効果を発揮する。更に、本発明の種々の実施形態は、交流だけでなく、直流にも基づく解決策をサポートする。更に、本発明の解決策には、接近及びタッチを検出するための機能を設けることができ、同じコンポーネントを入力及び出力機能に使用することができる。更に、本発明の種々の実施形態は、例えば、薄い絶縁体より機械的に強度のある厚い絶縁体を使用することができる。更に、電界に対して特定の変更周波数を使用するのが有益であることが、本発明の多数の実施形態に関連して分かった。というのは、それらは、より少ないエネルギー消費で刺激を発生できるからである。
【００２７】
一実施形態では、電気的入力は、高周波数成分も含み、その周波数は、低周波数成分の周波数より高く且つ５００ｋＨｚより低い。又、この実施形態は、高周波数成分を低周波数成分で変調するための変調器又は他の手段を備えてもよい。
【００２８】
１つ以上の導通電極への電気的入力は、ピーク・ピーク電圧が７５０ないし１０００００Ｖであり、絶縁体は、それに応じた大きさでなければならない。現在入手できる材料で実際に実施する場合、絶縁体の厚みは、典型的に、０．１ｍｍないし５０ｍｍである。
【００２９】
定常感覚とは対照的に、時間変化情報を搬送するために、装置は、時間変化情報に基づいて電気的入力を変調するための手段を備えることができる。
【００３０】
本発明の簡単ではあるが有効な実施形態は、身体部分の空間的に個別のエリアごとに厳密に１つの導通電極を備えている。２つ以上の導通電極があって、各導通電極が１つ以上の身体部分の空間的に個別のエリアを刺激するようにしてもよい。装置は、多数の全ての導通電極に共通の高電圧源を含むエンクロージャーを備え、このエンクロージャーは、０又はそれ以上の多数の導通電極に電気的入力を同時に搬送するための手段も含む。本発明の装置及び／又は１つ以上の導通電極は、最も影響を受け易い身体部分が人間の手の一部分であるように位置される。例えば、共通のコントローラの制御のもとにある５つの導通電極が、異なる時間に、０ないし５つの指先に並列に刺激を与えてもよい。従って、５つの導通電極は、５ビットの情報を並列に搬送する。この装置は、データ処理装置に接続可能な入力／出力周辺装置の一部分として実施されてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、添付図面を参照して、本発明の特定の実施形態を詳細に説明する。
【００３２】
図１ないし図１５は、本発明のタッチスクリーンインターフェイスに使用できる容量性電気感覚インターフェイス（ＣＥＩ）の動作及び具現化に係る。
【００３３】
図１は、ＣＥＩの動作原理を示す。参照番号１００は、高電圧増幅器を示す。ＯＵＴと示された高電圧増幅器１００の出力は、電極１０６に結合され、この電極は、少なくとも１つの絶縁層又は部材で構成された絶縁体１０８により、ガルバニック接触に対して絶縁される。参照番号１２０は、一般的に、刺激されるべき身体部分、例えば、人間の指を表す。参照番号１２１により表わされた人間の皮膚は、乾燥時には比較的良好な絶縁体であるが、ＣＥＩは、電極１０６と身体部分１２０との間に比較的良好な容量性結合を与える。容量性結合は、水分のような皮膚条件から実質上独立している。本発明者の仮説は、電極１０６と身体部分１２０との間の容量性結合が、パルス状のクーロン力を発生するというものである。パルス状のクーロン力は、振動感知受容体、主として、皮下組織１２１における皮膚の最外層の下にあるパチニ小体と称されるもの、を刺激する。パチニ小体は、参照番号１２２で示されている。それらは、概略的に且つ相当に拡大されて示されている。
【００３４】
高電圧増幅器１００は、入力信号ＩＮによって駆動され、これにより、得られるクーロン力のエネルギー内容の実質的な部分が、パチニ小体１２２が感知する周波数範囲内に存在するようになる。人間の場合、この周波数範囲は、１０Ｈｚから１０００Ｈｚであり、好ましくは、５０Ｈｚから５００Ｈｚであり、そして最適であるのは、１００Ｈｚから３００Ｈｚ、例えば、約２４０Ｈｚである。パチニ小体の周波数応答については、図５及び６を参照して更に説明する。
【００３５】
「触覚(tactile)」は、タッチ又は圧力の感覚に関するものとしてしばしば定義されるが、本ＣＥＩによる電気感覚(electrosensory)インターフェイスは、適切な大きさにされたときには、身体部分１２０が、電極１０６の上に横たわる絶縁体１０８に実際にタッチしなくても、身体部分に対する振動の感覚を生成することができる。これは、電極１０６及び／又は絶縁体１０８が非常に堅牢でない限り、電極１０６と身体部分１２０（特に、パチニ小体１２２）との間のパルス状のクーロン力が、電極１０６及び／又は絶縁体１０８の若干機械的な振動を生じさせるが、ＣＥＩによる方法及び装置は、このような機械的振動とは独立した電気感覚的な感覚(electrosensory sensation)を発生することができる。
【００３６】
高電圧増幅器と、絶縁体１０８を経ての容量性結合とは、パチニ小体又は他の機械的受容体が刺激されそして電気感覚的な感覚（見掛け上の振動の感覚）が発生されるような大きさにされる。このため、高電圧増幅器１００は、数百ボルト又は数キロボルトの出力を発生することができねばならない。実際に、身体部分１２０へ進入される交流は、大きさが非常に小さく、そして低周波数の交流を使用することにより更に減少することができる。
【００３７】
図２は、本ＣＥＩの例示のための実施形態を具現化する装置を示す。この実施形態において、高電圧増幅器１００は、電流増幅器１０２及びそれに続く高電圧変圧器１０４として具現化される。図２に示す実施形態では、高電圧変圧器１０４の二次巻線は、装置の残り部分に対して若干フライング構成にある。増幅器１００、１０２は、１１２及び１１４により成分が示された変調信号で駆動される。高電圧増幅器１００の出力は、電極１０６に結合され、この電極は、絶縁体１０８によりガルバニック接触に対して絶縁されている。参照番号１２０は、一般に、刺激されるべき部分、例えば、人間の指を表す。参照番号１２１により表わされた人間の皮膚は、乾燥時には比較的良好な絶縁体であるが、ＣＥＩは、電極１０６と、皮膚表面１２１の下の導電性組織との間に比較的良好な容量性結合を与える。パチニ小体１２２のような機械的受容体は、この導電性組織にある。図１及び２において、パチニ小体１２２は、概略的に且つ相当に拡大されて示されている。
【００３８】
電極１０６と、皮膚表面の下にあってコルネウス(Corneus)層として知られ且つパチニ小体１２２を含む導電性組織との間の容量性結合の利益は、その容量性結合が、直流において導電性である接触から生じる指の組織に対する高い局部的電流密度を排除することである。
【００３９】
刺激を受けるべき対象物、例えば、装置のユーザを、装置の高電圧区分に対して良好に定義された（非浮動）電位へ近付ける上で助けとなる接地接続を設けることは、有益であるが、厳密に必要ではない。図２に示す実施形態では、参照番号２１０で示した接地接続は、高電圧区分の基準点ＲＥＦを、刺激を受けるべき身体部分１２０とは異なる身体部分２２２へ接続する。図２に示す実施形態では、基準点ＲＥＦは、変圧器１０４の二次巻線の一端にあり、一方、電極２０６Ａ、２０６Ｂ、２０６Ｃの駆動電圧は、二次巻線の反対端から得られる。
【００４０】
ここに例示する実施形態では、装置は、指１２０（１つ又は複数）によって作動されるタッチディスプレイを含むハンドヘルド装置である。接地接続２１０は、接地電極２１２で終了となる。接地電極２１２のここに例示する具現化は、装置をユーザの片方の手で操作しながら他方の手２２２で便利にタッチするように配列された１つ以上の接地プレートである。接地プレート（１つ又は複数）は、タッチディスプレイをもつ装置の同じ側で、タッチディスプレイの隣に位置されてもよいし、又は例えば人間工学的な事柄に基づき、タッチディスプレイを含む側に隣接した側又はそれとは反対の側に位置されてもよい。
【００４１】
実世界の装置では、基準点ＲＥＦと非刺激身体部分２２２との間の結合２１０は、電気的に複雑なものになり得る。更に、ハンドヘルド装置は、典型的に、周囲に対する堅実な基準電位がない。従って、「接地接続」という語は、堅実なアース接地への接続を要求するものではない。むしろ、接地接続とは、装置の基準電位と、刺激を受けるべき身体部分（１つ又は複数）とは個別の第２の身体部分との間の電位差を減少する上で助けとなる接続を意味する。この定義は、接地接続２１０が、装置のユーザを、非刺激身体部分２２２と共に、装置の高電圧区分に対して適度に良好に定義された電位へもっていく上で助けとなる限り、容量的に並列な素子又は浮遊素子を除外するものではない。容量性の接地接続は、図１２を参照して説明する。ここでは、適度に良好に定義された電位とは、電極２０６Ａ、２０６Ｂ、２０６Ｃを駆動する電圧ＯＵＴを考慮して理解すべきである。電極駆動電圧ＯＵＴが、例えば、１０００Ｖである場合には、ユーザの身体と基準点ＲＥＦとの間の電位差、例えば、１００Ｖは、顕著なものではない。
【００４２】
高圧区分の基準点ＲＥＦと非刺激身体部分２２２との間の非容量性結合２１０は、刺激身体部分１２０が経験する電気感覚刺激を相当に向上させる。逆に、非常に低い電圧で、及び／又は非容量性結合２１０を使用するときは厚い絶縁体を経て、同等の電気感覚刺激を達成することができる。
【００４３】
増幅器１００、１０２は、変調器１１０において低周波数信号１１４により変調される高周波数信号１１２で駆動される。低周波数信号１１４の周波数は、皮膚表面の下の導電性組織に存在するパチニ小体がその周波数に応答するといったものである。高周波数信号１１２の周波数は、好ましくは、人間の聴覚能力の若干上、例えば、１８ないし２５ｋＨｚであり、更に好ましくは、約１９ないし２２ｋＨｚである。信号１１２の周波数が人間の可聴範囲内である場合には、装置及び／又はその駆動回路は、気を散らす音響を発生することができる。他方、信号１１２の周波数が人間の可聴範囲の遥かに上である場合には、装置は、より多くの電流を部分１２０へ流し込む。音声回路について設計されたコンポーネントを一般的に使用できるという意味では、約２０ｋＨｚの周波数が好都合であるが、２０ｋＨｚの周波数は、ほとんどの人間には聞こえない。本発明者によって行われた実験では、このような変調は、ＣＥＩにとって本質的でないことが示唆される。低周波数信号のみに依存するシステムとは対照的に、図２に概略的に示すもののように、低周波数変調を伴う高周波数信号の使用は、比較的高い交流電圧（数百ボルト又は数キロボルト）を比較的小型の変圧器１０４で発生できるという利益をもたらす。
【００４４】
周波数又はｋＨｚという語は、高又は低周波数信号１１２、１１４が正弦波信号に限定されるように理解してはならず、方形波を含む多数の他の波形も使用できる。変調器１１０、増幅器１０２及び／又は変圧器１０４のような電気的コンポーネントは、高調波倍音を抑制する大きさにすることができる。本発明者は、４ｍｓ（低周波数信号のほぼ半サイクル）より長い巾のパルスは、検出が容易であり、且つ実際的な絶縁体厚みでは、電極１０６のピーク・ピーク電圧が少なくとも約７５０Ｖの必要があることが分かった。電極１０６で測定される無負荷のピーク・ピーク電圧は、約７５０Ｖ−１００ｋＶの範囲でなければならない。この電圧範囲の下限付近では、絶縁体厚みは、例えば、０．０５−１ｍｍでよい。材料テクノロジー及びナノテクノロジーが発展するにつれて、更に薄い耐久性のある絶縁表面が利用できるようになるかもしれない。これは、使用する電圧を減少できることにもなる。
【００４５】
以上に述べた図１及び２の要素は、指１２０のような身体部分が電極１０６の付近にある限り、定常の電気感覚的な感覚を発生する。有用な情報を搬送するために、電気感覚的な感覚を変調しなければならない。幾つかの簡単な実施形態では、指１２０が電極１０６の存在を感知できることにより有用な情報が搬送されるように電極１０６を位置付けることでこのような変調を具現化することができる。例えば、スイッチを見なくてもそれを検出できるように、電極１０６をスイッチの上又はその付近に位置付けることができる。
【００４６】
他の実施形態では、このような情報搬送変調は、本発明の装置の１つ以上の動作パラメータを電子的に制御することにより行うことができる。情報搬送変調は、変圧器１０４のサイズを減少することを目的とする低周波数信号１１４による高周波数信号１１２の変調と混同してはならない。図２の概略図では、このような情報搬送変調は、本発明の装置の１つ以上の動作パラメータを制御するコントローラ１１６によって行われる。例えば、コントローラ１１６は、高又は低周波数信号１１２、１１４の周波数又は振幅、増幅器１０２の利得をイネーブル、ディスエイブル又は変更することができ、或いは電源（個別に示さず）を制御可能にイネーブル又はディスエイブルしたり、任意のポイントで回路を制御可能に切断したりすることもできる。
【００４７】
図３は、独立して制御可能な複数の電極をもつ本発明の装置の改善された実施形態を示す。図３において、２００より小さい参照番号をもつ要素は、図１及び２を参照して説明されたものであり、説明の繰り返しは省く。この実施形態は、独立して制御可能な複数の電極２０６Ａ、２０６Ｂ及び２０６Ｃを備え、３つの電極が示されているが、この数は、純粋に任意である。参照番号２１６は、スイッチマトリクス２１７を制御するコントローラの具現化を示し、スイッチマトリクスは、コントローラ２１６の制御のもとで電極２０６Ａ、２０６Ｂ及び２０６Ｃに高電圧信号ＯＵＴを与える。コントローラ２１６は、データ処理装置（個別に示さず）のような外部装置からのコマンドに応答することができる。
【００４８】
図３に示す実施形態の利益は、高電圧増幅器１００、コントローラ２１６及びスイッチマトリクス２１７を含む実質的に全ての駆動回路を、参照番号２００で示された共通のエンクロージャーに一体化できることである。この実施形態では、電極２０６Ａ、２０６Ｂ及び２０６Ｃ、並びに各電極に対する単一の接続ワイヤだけがエンクロージャー２００の外部となる。先に述べたように、電極は、単純な導通又は半導通プレートを適切な絶縁体で覆ったもの以外何もなくてよい。それ故、エンクロージャー２００は、実質上どのような任意の場所に位置付けることもできる。というのは、その外部の唯一の要素が、非常に単純な電極及び接続ワイヤ（並びに幾つかの具現化では、個別に示されていない電源）だからである。
【００４９】
幾つかの従来のシステムは、皮膚の最外層へのガルバニック電流導通を経て神経の直接刺激を与える。ガルバニック電流導通のために、このようなシステムは、皮膚のエリアを刺激するのに２つの電極を必要とする。このような従来のシステムとは対照的に、図３を参照して説明する実施形態は、複数の電極２０６Ａ、２０６Ｂ及び２０６Ｃを含むが、各電極は、それ単独では、皮膚の個別エリア、より詳細には、皮膚の最外層の下に横たわるパチニ小体を含む機械的受容体を刺激する。それ故、ｎ個の電極の構成体がｎ個の情報ビットを並列に搬送する。
【００５０】
図４は、図３に示す実施形態の特定の具現化を示す。この具現化では、スイッチマトリクス２１７は、トライアック２０７Ａ、２０７Ｂ及び２０７Ｃのバンクを含むが、半導体リレーを含む他の形式の半導体スイッチを使用することもできる。従来の電気機械的リレーを使用することもできる。この実施形態では、スイッチ（トライアック）２０７Ａ、２０７Ｂ及び２０７Ｃは、論理的に変圧器１０４の後に、即ち高電圧回路に位置される。この具現化は、高電圧スイッチ（数百ボルト又は数キロボルト）を要求するが、要素１００ないし１１４を含む回路の残り部分が全ての電極２０６Ａ、２０６Ｂ及び２０６Ｃにサービスできるという利益をもたらす。図４に示したように、コントローラ２１６は、データ処理装置に接続することができ、その一例がパーソナルコンピュータＰＣとして示されている。
【００５１】
図５は、図２に示されたものと実質的に同様の装置により発生される感覚に対するランダムに選択されたテスト対象物の感度を概略的に示すグラフである。グラフのｘ軸は、低周波数信号（図２のアイテム１１４）の周波数に２を乗算したものを示し、一方、ｙ軸は、電気感覚刺激を検出するのに必要な振幅を示す。振幅目盛は、相対的である。７５Ｈｚにおける小さな垂下は、測定異常かもしれない。２倍の低周波数信号をｘ軸に配置する理由は、図６を参照して概略的に説明するように、電極１０６と身体部分１２０との間のクーロン力が、正弦波の低周波信号の各サイクルに２つの強度ピークを有することである。
【００５２】
種々の周波数における相対的な感度は、参照文書１のセクション２．３．１（図２．２）に発表されたものに非常に良く似ている。参照文書１は皮膚の振動触覚（機械的）刺激に関するが、参照文書１で発表されたものに対する、図５に示す周波数応答の類似性は、電極１０６及び感知部分１２０（図１を参照）が絶縁体１０８上にキャパシタを形成し、そしてこのキャパシタにおいて、振動するクーロン力が機械的な振動に変換され、これら振動が、パチニ小体を含む機械的受容体によって感知されるように、本ＣＥＩが動作することを示唆する。又、本発明者は、パチニ小体がそれらに流れる電流により刺激されるという別の仮説も研究したが、この仮説は、それらの観察や、パチニ小体に作用するクーロン力に基づく観察を説明するものではない。しかしながら、ここに述べる技術的なＣＥＩは、ＣＥＩがなぜそのように動作するか説明するよう試みる特定の仮説の正しさに依存するものではない。
【００５３】
図６は、ＣＥＩの動作原理と、本ＣＥＩに関連した周波数の解釈とを更に明確にするグラフである。参照番号６１は、変調器１１０への低周波数入力信号（図２にアイテム１１４として示す）を表す。参照番号６２は、変調器の出力、即ち低周波数入力信号で変調される高周波数入力信号を表す。
【００５４】
参照番号６３及び６４は、電極１０６と絶縁体１０８上の身体部分１２０との間の容量性結合に生じるクーロン力を表す。容量性結合の２つの側は逆の電荷を有するので、２つの側の間のクーロン力は常に引き付け合い、電圧の２乗に比例する。参照番号６３は、実際のクーロン力を表し、一方、参照番号６４は、その包絡線を表す。包絡線６４は、パチニ小体が感知する周波数の範囲内であるが、クーロン力が常に引き付け合うので、包絡線６４は、変調器の出力信号６２の各サイクルに対して２つのピークを有し、これにより、周波数倍増効果が生じる。クーロン力は、電圧の２乗に比例するので、ここに開示する例示的な電圧は、電圧が正弦波でない場合には実効値（ＲＭＳ）として解釈されねばならない。
【００５５】
容量性結合の２つの側が逆の電荷を有し、従って、クーロン力が常に引き付け合うという記載は、装置及び刺激を受けるべき身体部分が同じ又はほぼ同じ電位にある場合に適用される。高い静電荷は、この理想的な状況からずれを生じさせ、このために、高電圧源の基準電位と、刺激を受ける部分以外の身体部分との間に、ある形態の接地接続が推奨される。というのは、接地接続は、装置とそのユーザとの間の電位差を下げる上で助けとなるからである。
【００５６】
ＣＥＩは、データ処理装置に接続可能な入力／出力周辺装置の一部分として具現化することができる。このような構成では、データ処理装置は、電気的に制御可能な電気感覚的な感覚を経てプロンプト及び／又はフィードバックを与えることができる。
【００５７】
図７Ａ及び７Ｂは、容量性結合の強度を電極の移動によって調整するＣＥＩの具現化を示す。電界の発生、及び必要に応じたその変更は、個々の電極７０３で構成される電極のセット７０４を経て行われる。個々の電極７０３は、好ましくは個々に制御可能であり、電極の制御は、その配向及び／又は突出に作用する。図７Ａは、電極７０３のグループがコントローラ２１６からの出力信号により配向されて電極７０３が集合的に絶縁体７０２の下に平面を形成するような具現化を示す。この状態では、高電圧増幅器１００から電極７０３への高電圧電流（ＤＣ又はＡＣ）が、装置に接近した身体部分（例えば、指１２０）に充分な強度の逆符号電荷を発生する。身体部分と装置との間の容量性結合が絶縁体７０２の上に形成され、感覚刺激を与えることができる。
【００５８】
図７Ｂは、図７Ａに示した同じ装置を示すが、この場合は、高電圧増幅器１００からの電流で発生される容量性結合の強度は、電極が絶縁体７０２の下に平面を形成しないように電極（ここでは参照番号７１４で示す）を配向することにより、最小にされる。本発明の幾つかの具現化において、低い周波数で交番する電界を、図７Ａ及び７Ｂに示す２つの状態間で装置の状態を交番させることにより発生することができる。状態交番の周波数は、数百程度、例えば、２００ないし３００全サイクル／秒である。
【００５９】
図８は、電極のセット８０４における個々の電極８０３が逆符号の電荷を有するようなＣＥＩの具現化を示す。個々の電極８０３の電荷は、コントローラ２１６を経て調整及び制御することができる。個々の電極８０３は、電極間のスパーク又は短絡を防止するように、絶縁体要素８０６により分離することができる。ＣＥＩと、これに接近した身体部分との間の容量性結合は、逆符号の電荷８０１を有するエリアを生じさせる。このように対抗する電荷は、相互に引き付け合う。従って、パチニ小体を刺激するクーロン力がＣＥＩと身体部分との間だけでなく、身体部分それ自体の中の極微エリア間にも発生されることが考えられる。
【００６０】
図９は、個々に制御可能な電極９１０ａないし９１０ｉのグループがマトリクス形態で編成されるＣＥＩの具現化を示す。このようなマトリクスは、例えば、タッチスクリーン装置へ一体化することができる。上述したＣＥＩは、ＣＥＩとそのユーザの身体部分との間に直接的な接続（タッチ）を要求しないので、ＣＥＩ装置の電極をタッチスクリーンの後に位置させることができ、ここで、「後」とは、通常の動作中にユーザの面した側とは反対のタッチスクリーンの側を意味する。或いは又、電極は、非常に薄く及び／又は透明でよく、従って、電極は、通常ユーザに面する側でタッチスクリーンにオーバーレイすることができる。高電圧増幅器１００からスイッチアレー２１７を経て電極９１０ａないし９１０ｉへ導通される電荷は、全て、同じ符号を有してもよいし、又は異なる電極へ導通される電荷が、図８を参照して述べるように、異なる符号を有してもよい。例えば、コントローラ２１６は、スイッチアレーのスイッチを個々に制御してもよいし、又はあるグループが、共通に制御可能なグループを形成してもよい。個々の電極及び／又はその関連絶縁体の表面は、動作又は用途の意図された範囲に基づいて指定することができる。最小の実際的な面積は、約０．０１ｃｍ2であり、一方、実際的な最大は、人間の手のサイズにほぼ等しい。０．１ないし１ｃｍ2の表面積が実際上最も使用可能と分かることが予想される。
【００６１】
電極９１０ａないし９１０ｉのマトリクス及びスイッチアレー２１７は、電気感覚刺激の空間的変化を与える。換言すれば、ユーザに与えられる感覚刺激は、本発明のタッチスクリーンに一体化されるＣＥＩ装置に接近したユーザの身体部分、例えば、指の位置に依存する。空間的に変化する感覚刺激は、タッチスクリーンインターフェイスのタッチ感知エリアのレイアウトの指示をユーザに与える。
【００６２】
空間的に変化する感覚刺激に加えて、コントローラ２１６は、種々様々な有用な作用のために使用できる時間的に変化する（時間従属な）電気感覚刺激を発生するようにスイッチアレー２１７に指令することができる。例えば、時間的に変化する電気感覚刺激を使用して、タッチ感知エリアの検出されたアクチベーション（キー押し）を指示することができる。この実施形態は、従来のタッチスクリーン装置に関連した共通の問題、即ちキー押しの検出が触覚フィードバックを発生しないという問題に向けられる。タッチスクリーン装置を経て使用される従来のアプリケーションレベルのプログラムは、視覚又は聴覚フィードバックを与えるが、このような形式のフィードバックは、先に述べた種々の問題を示す。更に、アプリケーションレベルのプログラムから視覚又は聴覚フィードバックを発生することで、これらプログラムのプログラミング及び実行に負担が生じる。本発明の幾つかの具現化では、インターフェイスレベル又はドライバレベルのプログラムが、時間的及び空間的変化の電気感覚刺激を使用することによりタッチ感知エリアの検出されたアクチベーションから触覚フィードバックを与え、このようなインターフェイスレベル又はドライバレベルのプログラムは、アプリケーションレベルにプログラムによって使用することができる。例えば、アプリケーションレベルのプログラムは、使用可能なファンクションのセットが上述したフィードバック発生を含むようなアプリケーションプログラミングインターフェイス（ＡＰＩ）を経て本発明のタッチスクリーンインターフェイスに結合することができる。
【００６３】
又、時間的及び空間的変化電気感覚刺激を使用して、タッチ感知エリアのレイアウトを「オンザフライ」で変更することができる。後になって判断すると、このオペレーションは、現在実行されているアプリケーションプログラム又はユーザインターフェイススクリーンに基づいてキーボード又はキーパッドレイアウトを変更するのとほぼ同様であると考えられる。しかしながら、従来のタッチスクリーン装置によりキーボード又はキーパッドレイアウトをオンザフライで変更するときには、新たなレイアウトをどうにかしてユーザに指示しなければならず、これは、通常、ユーザがタッチスクリーン装置を見ることを要求する。
【００６４】
本発明のタッチスクリーン装置の幾つかの実施形態は、タッチ感知エリアのレイアウトが充分に簡単であると仮定すれば、タッチ感知装置を見る必要性を排除する。例えば、時間的及び空間的変化電気感覚刺激に対して異なるパターンを設けることにより約２ダースまでの異なる「キー記号(key legends)」をユーザに指示することができる。ここで使用する「キー記号」という表現は、触覚フィードバックを発生しない従来のタッチスクリーン装置が、通常、視覚キューを発生し、これらが一般に「記号」と呼ばれることを意味する。本発明の幾つかの実施形態では、キー記号の機能は、異なるパターンを経て設けることができる。例えば、１本の指先で次のパターンを識別することができる。低、中又は高繰返し速度をもつパルス；各々幾つかの異なる繰返し速度で、左、右、上又は下へのスイープ；各々幾つかの異なる繰返し速度で、時計方向又は反時計方向への回転。
【００６５】
以上のことから明らかなように、本発明の電気感覚インターフェイスは、個別の「感触」（技術的には、時間的及び空間的変化の電気感覚刺激に対する異なるパターン）を各々もつ多数の異なるタッチ感知エリアを発生することができる。従って、従来のタッチスクリーンのスクリーン区分は、本発明に関して絶対的に必要というのではなく、タッチ装置インターフェイスという語は、とりわけ、タッチスクリーン装置に一般的に関連したアプリケーションに適したインターフェイス装置として解釈されるべきであるが、スクリーンの存在は、必須ではない。
【００６６】
更に、本発明のＣＥＩとそのユーザの身体部分との間の容量性結合（或いは個々の電極又は電極グループとユーザの身体部分との間の容量性結合）の強度は、直接的又は間接的測定により決定することができる。この測定情報は、種々の仕方で利用することができる。例えば、容量性結合の強度は、電極への身体部分の接近度を指示することもできるし、又は身体部分による電極へのタッチを指示することもできる。このような測定機能は、専用の測定ユニット（図示せず）によって行うこともできるし、或いは上述したブロックの１つ、例えば、スイッチマトリクス２１７へ一体化することもできる。このスイッチマトリクス２１７（又は任意の専用測定ユニット）は、測定情報をコントローラ２１６へ送信することができ、コントローラ２１６は、それを使用して、電圧又は周波数を変更することにより電極で発生される電界を変化させることができる。それに加えて又はそれとは別に、コントローラ２１６は、測定情報又はそこから処理されたある情報を、図４に示すパーソナルコンピュータＰＣのようなデータ処理装置へ転送することができる。
【００６７】
更に別の２つ以上の、本発明のタッチ装置インターフェイスを、ある通信ネットワーク及びデータ処理装置を経て相互接続することができる。このような構成では、タッチスクリーン装置のユーザに与えられる電気感覚刺激は、全てのユーザがそれらの各装置への接近に対して貢献するある機能に基づくものでよい。１つの実施形態では、２つ（以上）のタッチスクリーン装置のこのような相互接続は、タッチ感知領域にタッチする手の面積の和に強度が依存する触覚フィードバックをそれらのユーザに与えることができる。この技術は、握手の強さが両（又は全）ユーザにより及ぼされる手の圧力の和を反映するような握手をシミュレーションする。別の実施例では、音楽の先生が、遠隔位置の学生が模擬ピアノキーボードのキーをどのように押すか「感知」してもよい。
【００６８】
図１０ないし１３は、容量性結合のパラメータの大きさを決めるのに有用な等価回路（理論的モデル）である。図１０は、装置が接地されたときに容量性結合の電界発生電位の分布を示す。基礎となる理論は、ここでは省略し、図１０に示す構成体において、電極の駆動電圧ｅがキャパシタンスＣ１及びＣ２の比に基づいて分割されることを述べれば充分であろう。ここで、Ｃ１は、指と電極との間のキャパシタンスであり、そしてＣ２は、ユーザの浮遊容量である。指が経験する電界は、電圧Ｕ１によって生じる。
0005305828.tif 000002
【００６９】
この電圧は、電圧源からの駆動電圧ｅより低い。一般的なケースでは、図１１に示すように、装置の基準電位が浮動である。この構成体は、更に、指のような身体部分に向けられる電界を減少する。
【００７０】
これらの理由で、本発明の幾つかの実施形態は、キャパシタンスＣ１を、Ｃ２に比して低く保持することを目的とする。少なくともキャパシタンスＣ１は、Ｃ２より著しく高くてはならない。幾つかの実施形態は、例えば、図１２に示すように、装置の基準電位をユーザに結合することにより、Ｃ２を調整又は制御することを目的とする。
【００７１】
キャパシタンスＣ１の実際の値を更に分析すると、これは、３つの直列結合された部分キャパシタンス、即ち絶縁体材料のＣi、絶縁体と指との間のエアギャップのＣa、及び内部の導通組織を環境から電気的に絶縁する最外皮膚層により形成されるＣs、より成るキャパシタンスとして取り扱いできることが示される。各部分キャパシタンスは、次の式で与えられる。
0005305828.tif 000003
【００７２】
ここで、εは、絶縁材料の誘電率（比誘電率）であり、Ｓは、（有効）表面積であり、そしてｄは、キャパシタの表面間の距離である。キャパシタンスの直列構成では、個々のキャパシタンスのうちの最小キャパシタンスが、合計キャパシタンスＣ１の全体的な値を支配する。身体部分が、絶縁された電極の表面にタッチせず、それに接近するだけであるときには、容量性結合が弱い。従って、Ｃ１の値は小さく、主として、エアギャップＣaによって決定される。身体部分が表面にタッチするときには、有効エアギャップが小さい（ほぼ皮膚面上の指紋プロフィールの高さ峰）。キャパシタンスは、キャパシタを形成する導通表面の距離に逆比例するので、それに対応するＣaが高い値となり、Ｃ１の値は、Ｃi及びＣsによって決定される。従って、電気感覚刺激発生の有効性は、特に、厚み及び誘電特性に関して絶縁体材料を適切に選択することにより改善できる。例えば、絶縁体として比較的高い誘電率をもつ材料を選択すると、材料における電界は減少するが、エアギャップ及び皮膚における電界強度は増加する。
【００７３】
更に、電気感覚刺激又は応答が与えられる間に表面にタッチし易い用途では、電気感覚刺激発生の有効性を、身体部分がタッチする材料を最適に選択することで向上させることができる。これは、良体積絶縁体（表面に直角な方向の絶縁体）に関しては特に顕著であるが、表面に沿った方向ではそうでない。
【００７４】
表面に沿った絶縁体の絶縁能力は、刺激を受ける身体部分が感じる感覚の見掛け上の強さに否定的に作用する表面不純物又は水分によって否定的に影響されることがある。例えば、ガラスは、一般的に、良絶縁体と考えられるが、その表面は、空気から水分の薄膜を収集する傾向がある。ＣＥＩの電極がガラスで絶縁された場合には、電気感覚作用を接近状態で感じる（身体部分とガラス表面との間にまだエアギャップがあるときに）。しかしながら、ガラス表面に軽くタッチしたときでも、電気感覚は弱くなるか又は完全に消失する傾向がある。絶縁体外面に表面コンダクタンスの低い材料を被覆することで、この問題が改善される。本発明者は、ある表面導電率を有する表面にタッチする場合に、クーロン力を経験するのは、表面にタッチする身体部分ではなく、表面上の導電層であると推測する。むしろ、タッチする身体部分は、例えば、身体の浮遊容量を経て、導電性表面層に対する一種の接地部として働く。
【００７５】
図１０ないし１２を参照して述べた手段に代わって又はそのような手段に加えて、多数の電極を使用して、タッチスクリーン表面の異なるエリア間に電位差を発生する構成体により、浮遊容量を制御することができる。例えば、この技術は、ハンドヘルド装置のタッチ感知面（例えば、装置の上側）を第１の電位へ構成し、一方、その反対側を第２の電位へ構成して、２つの異なる電位を装置の正の極及び負の極とすることにより、具現化することもできる。或いは又、第１の表面エリアを電気的に接地し（基準電位）、一方、第２の表面エリアを高い電位に荷電することもできる。
【００７６】
更に、絶縁体層（１つ又は複数）により課せられる制約の中で、逆符号又は広く異なる大きさをもつ電位のような異なる電位の微小エリアを形成することができ、このエリアは、指のようなユーザの身体部分が、異なる電位の多数のエリアから電界を同時に受けるに足るほど小さなものである。
【００７７】
図１３は、容量性結合を使用して、指のようなユーザの身体部分によるタッチ又は接近を検出する実施形態を示す。ユーザの身体部分による検出されたタッチ又は接近は、データ処理装置へ入力として通過することができる。図１３に示す実施形態では、電圧源が浮動である。浮動の電圧源は、誘導性又は容量性結合及び／又はブレーク・ビフォア・メーク(break-before-make)スイッチにより具現化することができる。変圧器の二次巻線は、簡単であるが有効な浮動電圧源の一例である。電圧Ｕ４を測定することにより、キャパシタンスＣ１及び／又はＣ２の値の変化を検出することができる。浮動電圧源が変圧器の二次巻線であると仮定すれば、キャパシタンスの変化は、一次側でも、例えば、負荷インピーダンスの変化として検出することができる。キャパシタンスのこのような変化は、タッチ又は接近する身体部材の指示として働く。
【００７８】
１つの具現化において、装置は、タッチ又は接近する身体部分のこのような指示を利用し、第１の（低い）電圧を使用して身体部分によるタッチ又は接近を検出すると共に、第２の（高い）電圧を使用してユーザへフィードバックを与えるように構成される。例えば、このようなフィードバックは、次のうちのいずれかを指示することができる。各タッチ感知エリアの輪郭、装置によるタッチ又は接近する身体部分の検出、タッチ感知エリアの（タッチ感知エリアにより開始されるべき動作の）意義、或いはユーザにとって潜在的に有用で且つアプリケーションプログラムにより処理される他の情報。
【００７９】
図１４は、単一の電極と、電気感覚刺激の強度の時間的変化とを使用して、テクスチャー化されたタッチスクリーン表面の幻影を生成することができる。参照番号１４００は、本発明の実施形態の説明上、３つのタッチ感知エリアＡ1、Ａ2及びＡ3を備えたタッチ感知スクリーンを表す。ユーザの指１２０によるタッチ感知エリアＡ1、Ａ2及びＡ3への接近又はタッチは、コントローラ１４０６により検出される。
【００８０】
本発明の実施形態によれば、従来のタッチ感知スクリーン１４００は、本発明によるインターフェイス装置によって補足することができる。参照番号１４０４は、上述した実施形態に関連して述べた電極、例えば、図１及び２を参照して述べた電極１０６を具現化した電極を表す。補足絶縁体１４０２は、タッチ感知スクリーン１４００それ自体が充分な絶縁を与えない場合に、タッチ感知スクリーン１４００と本発明の電極１４０４との間に位置させることができる。
【００８１】
従来のタッチスクリーン機能、即ちユーザの指によるタッチ感知エリアへの接近又はタッチの検出に加えて、コントローラ１４０６は、指１２０の位置の情報を使用して、指１２０における電極１４０４によって呼び出される電気感覚刺激の強度を時間的に変化させる。電気感覚刺激の強度は、時間と共に変化するが、この実施形態では、時間は独立変数ではない。むしろ、時間的変化のタイミングは、タッチ感知エリア（ここでは、Ａ1、Ａ2及びＡ3）に対する指１２０の位置の関数である。従って、より正確に述べると、本実施形態は、指１２０における電極１４０４により呼び出される電気感覚刺激の強度に変化を生じさせるように動作でき、この変化は、タッチ感知領域に対する指１２０の位置に基づくものである。
【００８２】
図１４の下側に、この機能が示されている。３つのタッチ感知エリアＡ1、Ａ2及びＡ3は、各ｘ座標対｛ｘ1、ｘ2｝、｛ｘ3、ｘ4｝及び｛ｘ5、ｘ7｝によって区分される。ｙ方向における処理は、同様のものであり、詳細な説明は、省略する。コントローラ１４０６は、指がいずれかのタッチ感知エリアＡ1、Ａ2及びＡ3の左にある限り、指の存在を感知しないか、又は指をインアクティブとして感知する。この例では、コントローラ１４０６は、電極１４０４に低強度の信号を印加することで応答する。指１２０がｘ座標値ｘ1に交差するや否や、コントローラ１４０６は、第１のタッチ感知エリアＡ1上の指を検出し、そして中強度の信号を電極１４０４へ印加し始める。エリアＡ1とＡ2との間で（ｘ座標ｘ2とｘ3との間で）、コントローラは、低強度信号を電極１４０４へ再び印加する。第２のタッチ感知エリアＡ2は、第１のタッチ感知エリアＡ1と同様に処理されるが、第３のタッチ感知エリアＡ3は、若干異なるように処理される。コントローラ１４０６は、指１２０がエリアＡ3の上又はその付近にあることを検出するや否や、エリアＡ1及びＡ2と同様に、電極１４０４へ中強度信号を印加し始める。しかし、ユーザは、第３エリアＡ3内のポイントｘ６においてタッチスクリーン１４００を押すことを判断する。コントローラ１４０６は、指の押圧（エリアＡ3に指定された機能のアクチベーション）を検出し、高強度信号を電極１４０４へ印加することにより応答する。
【００８３】
従って、図１４に示す実施形態は、単一の電極１４０４のみを使用して電気感覚刺激を生成したが、テクスチャー表面の幻影を生成する触覚フィードバックをユーザに与えることができる。しかしながら、ユーザは、多数のタッチ感知エリアの意義を覚えておくか、又はそれらの意義に関する視覚又は聴覚情報を得なければならないという問題が残る。
【００８４】
図１５は、図１４を参照して説明したものから更に向上した実施形態を示す。図１５に示す実施形態は、電気感覚刺激の強度の異なる時間的変化を使用し、この異なる時間的変化は、タッチ感知エリアの意義を指示する触覚フィードバックをユーザに与える。
【００８５】
図１５に示す実施形態の動作は、参照番号１５０６で示すコントローラが、電極１４０４への信号の強度に異なる時間的変化を与えるという点で、図１４を参照して説明したものとは相違する。この例では、第１のタッチ感知エリアＡ1が、先の実施形態と同様に処理され、換言すれば、電気感覚刺激の強度は、エリアＡ1に接近する指１２０の存在のみに依存する。しかし、エリアＡ2及びＡ3に接近しても、コントローラ１５０６は、電気感覚刺激の強度に時間的変化を与える。例えば、エリアＡ2の意義（表示された記号とほぼ同様）は、第１の（低い）繰り返し率でのパルス状の電気感覚刺激によって指示され、一方、エリアＡ3の意義は、第２の（高い）繰り返し率でのパルス状の電気感覚刺激によって指示される。ここに示す例では、３つのタッチ感知エリアＡ1、Ａ2及びＡ3は、イエス／ノー／キャンセル型のユーザインターフェイスにおいて３つの機能を呼び出すことができ、ユーザは、ユーザインターフェイスキーの位置（ここでは、３つのタッチ感知エリア）及び受け容れられた入力の指示を触覚フィードバックのみを経て感知することができる。換言すれば、ユーザは、タッチ感知エリアの位置又は選択された機能に関する視覚情報も聴覚情報も必要としない。図１５を参照して説明する実施形態は、ユーザからの視覚的注意を必要としてはならないカーナビゲータ等に特に魅力的である。
【００８６】
図１４及び１５に示す実施形態では、ユーザの指１２０がエリアＡ3に指定された機能を選択し、そしてコントローラＣＴＲＬ１４０６、１５０６が電極１４０４を経て高強度の電気感覚刺激を発生するときに、エリアＡ1、Ａ2及びＡ3のいずれかを経て高強度刺激が感知される。換言すれば、ユーザの１つの指がエリアＡ3を押す場合には、他のエリアＡ2及び／又はＡ3に接近する他の指も高強度刺激を感知する。これが望まれない場合は、図１４及び１５に示す実施形態を、図９を参照して開示した多電極実施形態と結合して、多数の電極（図９にアイテム９１０ａないし９１０ｉとして示す）の各への信号を個々に制御することができる。
【００８７】
当業者であれば、技術の進歩につれて、本発明の概念は、種々の仕方で具現化できることが容易に明らかであろう。本発明及びその実施形態は、上述した例に限定されず、特許請求の範囲内で変更することができる。
【００８８】
参照文献
1.  Gunther, Eric: “Skinscape: A Tool for Composition in the Tactile Modality” Master’s thesis, Massachusetts Institute of Technology 2001, available on the Internet address:
2.  http://mf.media.mit.edu/pubs/thesis/guntherMS.pdf
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】容量性電気感覚インターフェイス（ＣＥＩ）の動作原理を示す。
【図２】ＣＥＩの一実施形態を示す。
【図３】独立して制御可能な複数の電極をもつ改善された実施形態を示す。
【図４】図３の実施形態の特定の具現化を示す。
【図５】種々の周波数において本発明の容量性電気感覚インターフェイスにより発生される感覚に対するテスト対象物の感度を概略的に示すグラフである。
【図６】ＣＥＩの動作原理を更に明瞭化するグラフである。
【図７Ａ】容量性結合の強度が電極の移動により調整されるＣＥＩの具現化を示す。
【図７Ｂ】容量性結合の強度が電極の移動により調整されるＣＥＩの具現化を示す。
【図８】異なる電極の電荷が逆符号を有するＣＥＩの具現化を示す。
【図９】電極のグループがマトリクスの形態に編成されたＣＥＩの具現化を示す。
【図１０】装置が接地されたときの容量性結合における電界発生電位の分布を示す。
【図１１】装置が浮動である（接地されない）ときの容量性結合における電界発生電位の分布を示す。
【図１２】装置が浮動であり、且つユーザが装置に充分に接近して装置の接地（基準）電位に容量性接地されたときの容量性結合における電界発生電位の分布を示す。
【図１３】容量性結合を使用してタッチを検出する構成体を示す。
【図１４】単一の電極と、電気感覚刺激の強度の時間的変化とを使用して、テクスチャー化されたタッチスクリーン表面の幻影を生成できる実施形態を示す。
【図１５】単一の電極と、電気感覚刺激の強度の時間的変化とを使用して、テクスチャー化されたタッチスクリーン表面の幻影を生成できる実施形態を示す。
【符号の説明】
【００９０】
１００：高電圧増幅器
１０４：変圧器
１０６：電極
１０８：絶縁体
１２０：身体部分
１２１：人間の皮膚
１２２：パチニ小体
２００：エンクロージャー
２０６Ａ、２０６Ｂ、２０６Ｃ：電極
２１０：接地接続
２１２：接地電極
２１６：コントローラ
２１７：スイッチマトリクス
２２２：身体部分
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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